A MOSFET (Metal Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) é um dispositivo semicondutor que pode ser usado como um interruptor de estado sólido. Estes são úteis para controlar cargas que consomem mais corrente, ou requerem uma tensão mais alta, do que um pino GPIO pode fornecer. Em seu estado desligado, os MOSFETs não são condutores, enquanto em seu estado ligado, eles têm uma resistência extremamente baixa – muitas vezes medida em miliohms. Os MOSFETs só podem ser usados para comutar cargas DC.
MOSFETs têm três pinos, Fonte, Dreno e Porta. A fonte é conectada à terra (ou à tensão positiva, em um MOSFET de canal p), o dreno é conectado à carga, e o portão é conectado a um pino GPIO no Espruino. A tensão no portão determina se a corrente pode fluir do dreno para a carga – nenhuma corrente flui de ou para o portão (ao contrário de um transistor de junção bipolar) – isto significa que se o portão for permitido flutuar, o FET pode ligar ou desligar, em resposta a campos elétricos ambientais, ou correntes muito pequenas. Como demonstração, é possível ligar um MOSFET normalmente, excepto não ligar nada ao pino do portão, e depois tocar no portão enquanto mantém a terra ou uma tensão positiva – mesmo através da resistência do seu corpo, é possível ligar e desligar o FET! Para garantir que um MOSFET permanece desligado mesmo que o pino não esteja ligado (ex: após o Espruino ser reiniciado), pode ser colocada uma resistência de puxar para baixo entre a porta e a fonte.
MOSFETs só comutam a corrente fluindo em uma direção; eles têm um diodo entre a fonte e o dreno na outra direção (em outras palavras, se o dreno (em um dispositivo de canal N) cair abaixo da tensão na fonte, a corrente fluirá da fonte para o dreno). Este díodo, o “díodo de corpo”, é uma consequência do processo de fabrico. Isto não deve ser confundido com o diodo por vezes colocado entre o dreno e a fonte de alimentação da carga – isto é separado, e deve ser incluído quando se conduz uma carga indutiva.
Exceto onde indicado, esta seção assume o uso de um modo de melhoria de canal N MOSFET.
Canal N vs Canal P
Num MOSFET de canal N, a fonte é ligada à terra, o dreno à carga, e o FET liga-se quando é aplicada uma tensão positiva à porta. Os MOSFETs de canal N são mais fáceis de trabalhar, e são do tipo mais comumente usado. Eles também são mais fáceis de fabricar e, portanto, estão disponíveis por preços mais baixos com desempenho superior ao dos MOSFETs de canal P.
Em um MOSFET de canal P, a fonte é conectada a uma tensão positiva, e o FET ligará quando a tensão na porta estiver abaixo da tensão da fonte em uma certa quantidade (Vgs < 0). Isto significa que se você quiser usar um mosfet de canal P para mudar tensões superiores a 5V, você precisará de outro transistor (de algum tipo) para ligá-lo e desligá-lo.
Seleção do MOSFETs
Gate-to-Source voltage (Vgs) Uma das especificações mais importantes é a voltagem necessária para ligar o FET completamente. Esta não é a voltagem limite – é a voltagem na qual ele começa a ligar. Uma vez que o Espruino só pode sair 3.3v, para a ligação mais simples, precisamos de uma peça que forneça um bom desempenho com um drive de portões de 3.3v. Infelizmente, não há muitos MOSFETs disponíveis em convenientes pacotes through-hole que funcionarão com um drive de portão de 3.3v. O IRF3708PBF é uma boa escolha no grande pacote TO-220 – a sua capacidade de manuseamento actual é suficiente para quase todos os fins, mesmo a 3,3v no portão. Para corrente mais baixa, o 5LN01SP-AC da On Semiconductor é uma opção; vem num pacote TO-92, e pode suportar até 100mA.
Na folha de dados de um MOSFET, um gráfico será normalmente incluído mostrando as propriedades no estado em várias tensões de porta. A especificação chave aqui normalmente será dada como um gráfico da corrente de drenagem (Id) versus a tensão da fonte de drenagem (Vds – esta é a queda de tensão através do MOSFET), com várias linhas para diferentes tensões de porta. Para o exemplo do IRF3708PBF, este gráfico é a Figura 1. Observe como em um Id de 10 amperes, a queda de tensão (Vds) mal está acima de 0,1v com um drive de porta de 3,3v, e mal se pode distinguir as linhas para tensões de 3,3v e superiores.
Existe uma grande variedade de MOSFETs de baixa tensão disponíveis em pacotes de montagem de superfície com excelentes especificações, muitas vezes a preços muito baixos. O popular pacote SOT-23 pode ser soldado na área de protótipos SMD do Espruino, como mostrado nas fotos abaixo, ou usado com uma das muitas placas de quebra de baixo custo disponíveis no eBay e em muitos fornecedores de hobbies eletrônicos.
Continuous Current Certifique-se de que a classificação de corrente contínua da peça é suficiente para a carga – muitas peças têm uma classificação de corrente de pico e corrente contínua, e, naturalmente, a primeira é muitas vezes a principal especificação.
Drain-Source Voltage (Vds) Esta é a tensão máxima que o MOSFET pode comutar.
Maximum Gate-Source Voltage (Vgs) Esta é a tensão máxima que pode ser aplicada sobre o portão. Isto é particularmente relevante no caso de um MOSFET de canal p comutando uma tensão bastante alta, quando você puxa a tensão para baixo com outro transistor ou FET para ligá-lo.
Pinouts
Estes mostram o pinoout dos típicos MOSFETs TO-220 e SOT-23. Entretanto, SEMPRE consulte a folha de dados antes de conectar qualquer coisa, caso você se encontre usando uma peça mais esquisita.
Conexão
N-Canal:
Um Espruino sendo usado para trocar uma carga de 100W usando um IRF3708. Note o resistor de 10k entre o portão e a fonte. A carga é uma matriz LED de 100W 660nm, puxando ~3.8A (por especificação) a 22v (mais como 85W) – ela está fora da imagem (é bastante brilhante).
Isto mostra dois MOSFETs de canal N na área de montagem de protótipos de superfície em um Espruino, um no SOT-23 (direita) e o outro no SOIC-8 (esquerda). Note que os traços entre as pastilhas SMD e os pinos no Espruino são bastante finos, portanto isto não deve ser usado para correntes muito acima de um amp.
P-Canal:
Isto mostra um MOSFET de canal N sendo usado para ligar um MOSFET de canal P – esta configuração é útil quando você precisa trocar o lado alto de um circuito alimentado por algo acima de 5 volts – este exemplo assume que o VBat do Espruino é a fonte de energia.
Esquemática
Estes esquemas mostram algumas configurações comuns para os MOSFETs como seriam usados com o Espruino. Os valores exatos dos resistores não são essenciais; um resistor de valor mais alto funcionará bem (e pode ser desejável quando o uso de energia é de particular preocupação). Como pode ser visto abaixo, usar um MOSFET de canal P para comutar tensões acima de 5v envolve um circuito mais complicado. Este não é o caso quando se usa um MOSFET de canal N para comutar altas tensões; como a fonte está aterrada, o portão não precisa ir até a tensão que está sendo comutada, como faz em um MOSFET de canal P, onde a fonte é a tensão positiva.
MOSFETs vs Relés
- MOSFETs não consomem essencialmente energia, enquanto que os relés usam uma quantidade significativa de energia quando ligados.
- MOSFETs podem ser acionados com PWM. Os relés não podem.
- MOSFETs requerem um aterramento compartilhado (ou alimentação para o canal p), enquanto os relés isolam completamente o circuito sendo acionado.
- MOSFETs só podem comutar cargas DC, enquanto os relés, estando isolados, também podem comutar AC.
MOSFETs vs Transistores de Junção Bipolar
- MOSFETs são controlados por tensão, não por corrente. Há uma corrente de porta negligenciável, enquanto que um BJT tem uma corrente de base não negligenciável.
- MOSFETs frequentemente têm uma queda de voltagem menor no seu estado ligado.
- MOSFETs ligam-se se a porta é permitida a flutuar, os BJTs requerem corrente para fluir, por isso não irão…
- MOSFETs são frequentemente mais caros, e eram historicamente mais vulneráveis a danos estáticos.
Aumento vs Modo de esgotamento
A maioria dos MOSFETs usados são os chamados dispositivos de modo de melhoramento, e a escrita acima assumiu o uso de um modo de melhoramento MOSFET. Mais uma vez, num modo de melhoramento MOSFET, quando a porta está na mesma tensão que a fonte (Vgs=0), o MOSFET não conduz.
Num modo de esgotamento MOSFET, quando Vgs = 0, o MOSFET está ligado e é necessário aplicar uma tensão à porta para parar a condução. A tensão fornecida é o oposto do que ligaria um modo de melhoramento MOSFET – portanto, para um MOSFET em modo de melhoramento de canal N, deve ser aplicada uma tensão negativa para o desligar.
Compra
- Digikey
- Mouser
- eBay (apenas peças comuns)